第19卷第11期装备环境工程
2022年11月EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING·133·油田用双金属机械复合管失效原因分析与对策 张金星1，夏晓晖1，宋成立2，李先明1，谭川江1，李纪朋1，林冠发2
（1.中国石油股份公司 塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000；
2.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安 710077）
摘要：目的分析研究双金属机械复合管的失效原因，并提出改进措施。方法对比说明双金属机械复合管几种常见的典型制造方法及其优缺点，介绍应用中典型传统焊接工艺焊接的环焊缝腐蚀剌漏或穿孔、环焊缝开裂、内衬塌陷或鼓包以及爆管等常见的失效形式，利用现场应用的失效实例、统计数据和室内检测结果，分析这些失效类型的原因，并提出针对性建议或措施。结果双金属机械复合管几种典型的制造方法各有优缺点，但其产品的内衬与基管的结合力均较小。造成其管材失效的主要原因有高压、高温、含CO2/Cl–腐蚀介质、封焊结构、焊接工艺、外防腐层施工、应力腐蚀或电偶腐蚀等。根据现场应用实践，提出并应用了管端堆焊结构、环焊缝用镍基合金焊材、增加内衬厚度和小管径等防止失效的建议或措施，取得很好的防护效果。结论造成此类管材失效的因素有腐蚀、封焊结构、焊接、外防腐施工及应力腐蚀或电偶腐蚀等，可采取堆焊结构、镍基合金焊材、厚衬层和小管径等措施。 调查公民个人信息关键词：双金属复合管；内衬；失效原因分析；腐蚀
中图分类号：TE988.2 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2022)11-0133-09
DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2022.11.018
Failure Analysis and Measures of Bimetallic Mechanical Composite Pipefor Oil Field ZHANG Jin-xing1, XIA Xiao-hui1, SONG Cheng-li2, LI Xian-ming1, TAN Chuan-jiang1, LI Ji-peng1, LIN Guan-fa2
(1. Tarim Oilfield Company, Petro China, Xinjiang Korla 841000, China;
2. Tubular Goods Research Institute, CNPC, Shaanxi Xi'an 710077, China)
ABSTRACT: The paper aims to study the failure cause of bimetallic mechanical composite pipe and put forward improvement measures. A brief comparison of several typical and common manufacturing methods and their advantages and disadvantages are introduced, and the failure types of the pipes welded by the typical traditional welding process such as girth weld corrosion leakage or pitting, girth weld cracking, lining collapse or bulge, and pipe bursts, are introduced. Using oilfield application failure examples, statistical data and test results, the causes of these failure types are analyzed, and targeted recommendations or meas-ures are put forward. The results show
that several typical manufacturing methods of bimetal mechanical composite pipes have their own advantages and disadvantages, but the bonding force between the inner lining and the base pipe of the product is rela-
收稿日期：2021–07–08；修订日期：2021–08–25
Received：2021-07-08；Revised：2021-08-25
基金项目：中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司技术开发项目（201017060160）
Fund：Technology Development Project of Tarim Oilfield Branch of Petro China Co., Ltd. (201017060160)
作者简介：张金星（1990—），男，工程师，主要研究方向为石油设备管理。
Biography：ZHANG Jin-xing (1990-), Male, Engineer, Research focus: petroleum equipment management.
通讯作者：林冠发（1960—），男，博士，教授，主要研究方向为腐蚀与防护。
Corresponding author：LIN Guan-fa (1960-), Male, Doctor, Professor, Research focus:corrosion and protection.
引文格式：张金星, 夏晓晖, 宋成立, 等. 油田用双金属机械复合管失效原因分析与对策[J]. 装备环境工程, 2022, 19(11): 133-141. ZHANG Jin-xing, XIA Xiao-hui, SONG Cheng-li, et al. Failure Analysis and Measures of Bimetallic Mechanical Composite Pipefor Oil Field [J]. Equipment Environmental Engineering, 2022, 19(11): 133-141.
·134·装备环境工程 2022年11月
tively small. The main reasons for the failure of this type of pipe are high pressure and high temperature, CO2/Cl- corrosive me-dium, the sealing structure and welding process, external anti-corrosion layer construction, stress corrosion or galvanic corro-sion, etc. According to the field application practice, suggestions or measures to prevent failures such as pipe end surfacing structure, nickel-based alloy welding material for girth weld, increase of lining thickness and small pipe diameter, etc. have been put forward and applied, and a good protective effect has been achieved.
KEY WORDS: bimetallic mechanical composite pipe; lining; failure analysis; corrosion
目前油田随着深井、超深井的不断开发和生产，尽管在井口采取节流措施，但地面管线还是面临高温高压的腐蚀环境，对地面集输管线的管材提出了更高的要求。21世纪初，开发并应用于油田的双金属复合管得到了大力推广，对气田集输系统产生了很好的经济效益，同时也带来应用过程中的诸多问题[1-3]。截至2015年，塔里木油田已使用的超400 km长的双金属机械复合管，就已经发生了66次失效事件，给油田造成了较大的经济损失和人力消耗[4-6]。尽管如此，由于机械复合管同随后出现的冶金复合管相比，其管体的生产成本小，工艺技术和制造过程简单，因此具有较好的经济效益，在国内外各油田得到广泛的应用[7-11]。近年来，生产企业、研究机构和油田用户对双金属复合管的生产与应用做了许多试验与研究工作，针对现场出现的问题提出了较多的改进措施，使得该产品得到了不断完善。1 常见制造方法及其比较
从结构形式来说，目前双金属复合管的耐蚀层与基管的复合主要有机械式复合和冶金复合2种。相比较而言，冶金复合管的生产成本远大于机械式复合管，因此目前在油田广泛应用的双金属复合管就是机械式复合管。双金属机械式复合管主流制造方法的原理与优缺点见表1。
在塔里木油田应用最多的是爆炸复合法制造的复合管，其次是机械旋压法和液压胀形法[12]。最初，前者占90%以上，后二者不足10%，但随着爆炸复合管失效次数的增加，后二者的应用比例逐渐增大。从失效分析来看，塔里木油田应用机械复合管当然是用量最大的爆炸复合管，特别是鼓包或塌陷的比例最大，而后来采用机械旋压法和液压胀形法生产的复合管这方面失效较少，机械旋压法复合管
软件学报
最少。
表1 双金属机械式复合管主要制造方法原理与优缺点
Tab.1 Principles and characteristics of the main manufacturing methods of bimetallic mechanical composite pipes 序号方法名称方法原理优点缺点
1
机械
滚压法
利用两种不同材质的机械性能，在滚压机具螺旋进给的
挤压下，使内衬管连续局部塑性变形，外基管始终保持
在弹性变形范围之内。当外力去除后，外基管弹性收缩，
内衬管由于已呈塑性变形无法收缩。从而达到内衬管外
表面强力的嵌合在外基管的内表面中，复合成形
摩擦阻力小，能耗低，
驱动功率低
易造成内管壁变
薄，严重时导致内
管开裂，且易在内
管形成加工硬化
2
机械
旋压法
旋压装置主轴带动组合在芯棒上的复合管坯旋转的同
时，三个呈锥形状的旋转轮反方向地旋转并前进，使外
层的碳钢管均匀地贴在不锈钢管之上，形成静配合细螺
纹状的连结
工艺简单，成形效率高
加工大管径较困
难，且管层间结合
力较低，易分离或
脱落等
3
爆炸
复合法
将装配好的内外管放置在水槽内，将集束放置在内
衬管轴线上，通过瞬间产生的爆炸力，引起水槽内
水压瞬间增高，瞬间推动内衬管在直径方向向外扩张至
外基管的内表面上，并随外基管继续扩张，直至压力消
失，而外基管在轴向内收缩，最终复合成形第二次世界大战的起源
一次性瞬间成形，各点
的压力基本相同
内衬与基管的结合
力较小
4
机械
拉拔法
扩径挤压拉拔法：内管和外管在拉挤模的作用下发生胀
形而成型；扩径缩径拉拔法：管坯在夹头作用下，通过
成形模具，内外管同时发生缩径变形
工艺简单，成形效率高
结合强度低，在高
温状态下复合管会
分层
5
液压
胀形法
将内、外管套在一起放入模具，然后对内管壁加内压，
随着内压升高，内管由弹性变形逐渐进入塑性变形，并
贴紧外管；当内压升高到一定值时，外管将产生弹性变
形并贴紧模具；当内压卸除，外管回弹，内管保持塑性
变形，则内外管紧密结合在一起
工艺简单，界面接触压
力分布均匀，内表面无
擦伤或破坏现象
界面结合力较小，
高温下易产生松
弛；装置结构复杂，
密封技术要求高
第19卷 第11期 张金星，等：油田用双金属机械复合管失效原因分析与对策 ·135·
2 油田应用中典型失效类型及原因
分析
塔里木油田运用双金属复合管始于2005年，首先在牙哈作业区铺设一试验段，试验取得成功后，在油田开始推广应用。随着应用规模的扩大和时间的延长，以传统焊接工艺进行封焊和对焊的双金属机械复合管存在的问题逐渐显现出来，其主要问题就是管材的失效。该类管材失效主要有环焊缝腐蚀刺漏或穿孔、环焊缝开裂、内衬鼓包或塌陷、爆管、基管本体穿孔等，其失效的原因也有许多方面。
虚拟桌面专家2.1 环焊缝腐蚀刺漏或穿孔
环焊缝腐蚀刺漏或穿孔是双金属机械复合管失效比较多的一种形式，也是导致环焊缝开裂的重要因素之一。一般是先在内表面的焊缝及其热影响区处形成腐蚀坑（因封焊部位多次加热而产生贫铬区），有些则是内焊缝余高因局部的腐蚀而降低，然后腐蚀坑扩大而相连形成腐蚀沟槽，或是腐蚀坑加大加深，最后腐蚀至剌漏或穿孔，如图1所示。形成环焊缝腐蚀
剌漏或穿孔的部位大部分处于管线的底部，主要集中于4点到8点区间（如图2所示），而在管道上半部的环焊缝上也有形成相对较少的腐蚀坑或点蚀，极个别也可造成剌漏或穿孔。
分析这类失效原因，首先是塔里木油田应用最多的克拉苏区块，其地面集输系统面临高压（节流后最
高12 MPa ）、高温（最高70.4 ℃）环境，天然气中有较高含量的CO 2组分（最高物质的量分数为1.04%），地层水含很高的Cl –（最高1.25×105 mg/L ），因此腐蚀环境较为苛刻，内衬发生点蚀、应力腐蚀、与基管电偶腐蚀等破坏的风险较高[13]。其次，主要是衬层热影响区的耐蚀性相对母材变差了，是因为衬层在封焊、根焊、填充焊或过渡焊的多次加热过程中形成了贫铬相，在高含Cl –情况下就可形成腐蚀坑或沟槽。第三，焊接时焊缝存在诸多缺陷和根焊使得衬层引入过多的基管成分，导致其耐蚀性下降。第四，管线介质温度的变化导致基管与内衬的热膨胀造成焊缝处应力集中，从而加速了内衬的腐蚀，也就是应力腐蚀比一般均匀腐蚀或非应力腐蚀的局部腐蚀要快得多[14-15]。
图1 克深区块双金属机械复合管环焊缝内腐蚀坑或槽形貌
Fig.1 Morphology of corrosion pits or grooves in the girth weld of the composite pipe
图2 克深区块双金属机械复合管环焊缝刺漏或
穿孔位置统计结果
Fig.2 Results of puncture or perforation position in the
girth weld of the composite pipe
由于焊缝及其热影响区是管材失效的薄弱部位，因此焊缝的力学性能和耐蚀性能等就成为管材失效的重要影响因素。针对塔里木油田克深二气田所用的内衬是316 L 不锈钢的双金属机械复合管，最初的焊缝焊接工艺是免充氩保护氩弧焊封焊（R309LT1-5药芯焊丝，带内保护）+根焊（R316LT1-5药芯焊丝）+
过渡层焊（ER309 MoL 实芯焊丝）+电弧焊填盖（CHE427或CHE507碳钢焊条），随后采用免充氩保护氩弧焊封焊（R309LT1-5药芯焊丝，带内保护）+根焊（R316LT1-5药芯焊丝）+过渡层焊（ER309 MoL 实芯焊丝）+手工焊填盖（不锈钢焊材，ATS-309 MoL ）的焊接工艺[5]。由于最初根焊采用了耐蚀性不是很好的不锈钢焊丝，虽然较基管的耐蚀性要好，但比内衬的耐蚀性只是略好，同时加上不能很好保证现场焊接的质量，并在根焊部位存在基管与衬管的应力集中，使得焊缝耐蚀性（实际上就是抗应力腐蚀性能）急剧下降，所以焊缝处及其热影响区就很容易被腐蚀，甚至造成应力腐蚀开裂而刺漏，还未开裂时则形成较多一定深度的腐蚀沟槽。这样应力腐蚀过程对最初一般不锈钢焊丝的过渡焊层同样也有发生，现场一些焊缝失效包括过渡焊层也被严重的腐蚀就说明这种情况，如图3所示，其中图3b 上的基管已穿孔。
2.2 环焊缝开裂
环焊缝开裂是双金属机械复合管失效很重要的一种形式，其典型特征是开裂沿着焊缝扩展，多数开
·
136· 装 备 环 境 工 程 2022年11月
图3 克深区块双金属机械复合管环焊缝横截面腐蚀形貌
Fig.3 Corrosion morphology of the cross section of the circumferential weld of the composite pipe
裂处于焊缝与母材熔合线附近的封焊部位，特别是最初双金属机械复合管焊接采用309焊丝根焊、过渡区和盖面采用碳钢焊条的封焊焊缝发生这种开裂
的情形较多。从宏观角度来看，多数环焊缝开裂发生在弯头和管道应力集中的部位，其宏观形貌如图4所示。
图4 塔里木油田双金属机械复合管环焊缝开裂形貌
Fig.4 Cracking morphology of the girth weld of the composite pipe in Tarim oilfield
这种失效的原因首先就是基层与衬层之间的缺口和温差引起衬层与基层热膨胀，导致封焊位置存在应力集中，易引发裂纹的萌生（通过塔里木油田克深区块地面集输所用同类管材运行5年多的焊缝无损检测发现，几乎所有焊缝均存在不同长度的裂纹，最短15 mm ，最长350 mm [5]）。其次，由于电弧热作用，封焊、根焊、填充焊或过渡焊对衬层耐蚀性产生影响（主要是导致热影响区贫铬区形成）[16-18]，易形成腐蚀坑而成为焊缝开裂的起裂点。第三，封焊焊接
时，内衬不可避免地会熔入较多的基层碳钢成分或在这一过程中产生马氏体，会造成该处的硬度偏高，止裂性差而易开裂。第四，封焊后，由于基管与衬层的缝隙存在，所以等于给封焊的焊缝预留一个缺口或裂纹，在后续使用过程中将成为封焊焊缝开裂的起裂源，在现场这种焊接的机械复合管就发生了此类环焊缝开裂事件。第五，封焊后根焊附近有时存在类似未熔合、裂纹、气孔等缺陷也是环焊缝开裂的重要原因之一，其形貌见图5。
图5 克深区块机械复合管环焊缝处的缺陷及衬管与基管交接处
Fig.5 Defects in the girth weld of the pipe and the junction of the liner and the base pipe
2.3 内衬塌陷或鼓包
双金属内衬复合管的内衬塌陷或鼓包是其最为严重的一种失效形式（见图6），因为这在所有双金属机械复合管失效类型中所占的比例最大，有些管径
高达到68%[5]
。虽然大部分内衬塌陷或鼓包不能完全阻断介质的流动，但对介质流态则产生了较大影响。
如塌陷占据了管内有效的横截面，流态发生了改变，输送阻力急剧升高，严重影响管线的正常运行。
内衬塌陷或鼓包的直接原因应当是内衬与基管的结合力太小和管内压发生突然改变而造成的，这是由其本身结构特点决定的。从生产原理和制造过程来看，耐蚀内衬与维持管体强度的碳钢基管是通过过盈相嵌起来的，内衬先是弹性变形再塑性变形，在维持
第19卷 第11期 张金星，等：油田用双金属机械复合管失效原因分析与对策 ·137·
图6 塔里木油田用双金属机械复合管内衬塌陷或鼓包形貌
Fig.6 Lining collapse or bulge morphology of the composite pipe used in Tarim oilfield
一定的残余应力后，与基管贴合在一起；基管则是通过弹性变形与内衬贴合在一起的，因此内衬与基
管之间的表面没有任何粒子或原子的渗透和扩散等物质传输，仅仅是机械贴合在一起，并没有形成冶金熔合区[19]。由此看来，内衬与基管的结合力应当比较小，其间不加任何其他胶粘剂时，纯机械附着力（一般检测的是剪切强度）一般只有几个兆帕或更小。如果该类管材采用3PE 外防腐层时，可能这一附着力还会降低。因为制作3PE 防腐层时，其内层目前采用的熔结环氧粉末通过加热200~240 ℃后涂敷上去的，而这一加热温度正是金属及其零件的低温回火温度，其热处理主要的作用是消除金属部件中存在的残余应力[20]，而双金属机械复合管就是凭借这种残余应力使得内衬材料与基管保持贴合状态，因而其采用3PE 外防腐层施工可能导致内衬与基管的附着力降低，这是造成内衬层鼓包和塌陷的关键因素之一。不同规格的双金属机械复合管在外防腐层施工完成后，通过拉脱法测定的剪切强度见表2[21]。研究表明，一定的结合强度能够提高机械式复合管的抗鼓包能力，但结合强度提高到一定程度后，再提高则不会对复合管鼓包产生明显改善，而且过大会造成衬管的反向屈服，反而加剧了失稳，因此机械式复合管的结合强度应控制在一个合理的范围内[22]。
同时，如果内衬与基管间残留少量的空气或水分
时，在进行内层熔结环氧粉末的加热涂敷时，则层间
的空气就会受热膨胀或水分受热汽化进而膨胀。这时较薄的内衬（最初一般为1.5~2.5 mm ）由于受基管约束而只能向内鼓起，形成了内衬的鼓包或塌陷现象，有时即使加热涂敷结束管体恢复到常温，其鼓包或塌陷也无法恢复到加热前的形态，这就是内衬的鼓
包或塌陷是发生屈曲失稳塑性变形的缘故[23]。
因此，加热涂敷环氧熔结粉末可导致部分双金属机械复合管产生鼓包或塌陷现象而被直接查看出来。对塔里木油田一区块所用双金属机械复合管3PE 外防腐层施工完成后，检查到的内衬鼓包、塌陷结果统计见表3[5]。由表3可见，双金属机械复合管管径并不是越大越容易鼓包或塌陷，而内衬越薄则越易发生。由此得出管径越小或内衬越厚，内衬发生鼓包或塌陷的可能性越小。
导致双金属机械复合管内衬鼓包或塌陷还有其他因素，比如内衬与基管因热膨胀系数不同，在外防腐施工和生产过程中，由于温度的不断改变而使内衬与基管可发生相对滑动，从而造成附着力的不断减小而可能导致内衬的鼓包或塌陷[23]。管线投产后，发生关停或某处的剌漏或穿孔，甚至爆管造成内压的急剧下降也可引起内衬的鼓包或塌陷。当环焊缝发生剌漏或穿孔时，管内介质就会流入衬管与基管的间隙，并经过一段时间后，管内与间隙的压力达到平衡，如在
表2 不同规格双金属复合管结合强度试验结果
Tab.2 Bonding strength test results of bimetallic composite pipes of different specifications
序号 规格/mm
接触面积/m 2 压力/kN 结合强度/MPa 制造方法
22.6 1.06uim
1 φ355.6×(8+2.5)L415/316 L 0.021 33 21.
2 0.99 水下爆破
0.892 0.091
2 φ168.3×(6+2)L245/316 L 0.009 816 1.064 0.108 水下爆破
4.114 0.442
3 φ168.3×(10+2)L245/316 L 0.009 313 1.929 0.207 液压复合
0.534 0.056
4 φ168.3×(8+2)L245/316 L 0.009 564 3.03 0.316 水压复合
20.97 2.251
5 φ168.3×(10+2)L245/31
6 L
0.009 313windows ce5.0
28.02 3.009
机械内旋压
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